2015年5月期刊俱乐部主题:纳米仿生材料力学

案例研究:Cyberwood

在一个最近发表的论文发表在《国家科学院院刊》上[1]，我们介绍了一种新的合成材料，由碳纳米管嵌入烟草植物细胞基质组成。这种新材料具有类似木材的机械和结构性能;我们叫它赛博木。然而，与木材不同的是，它对温度变化非常敏感:它具有导电性，其导电性随着温度的变化而变化，其灵敏度比其他现有材料高出两个数量级。赛博伍德通过保存植物细胞的自然能力来实现这种高灵敏度，即使在它们死亡后也能感知温度变化。将生物细胞与纳米颗粒结合起来，赛博木是一种“纳米仿生材料”，一类旨在保存、增强和利用生物系统特性的材料，用于工程目的。

对于材料科学家、化学家、机械师和工程师来说，创造连接生物世界和无生命世界的材料一直是一个长期的挑战。万博体育平台大多数尝试都集中在逆向工程生物结构、仿生和生物灵感上。特别是木材，由于其多功能性、结构复杂性和优异的抗破坏性，为新材料的设计提供了灵感(例如，参见最近的自然新闻和观点文章)[２])．然而，在大多数情况下，创造出再现或超越天然材料性能的合成材料一直是难以实现的。生物材料通常形成复杂的、分层的和复合的结构，在特定的环境条件下对给定的目的做出最佳反应[3]。纳米仿生工程，以及最近的“植物纳米仿生”[4]，是一个新兴的领域，旨在开发具有增强性能的系统。但是，要达到实现复杂自然系统性能所必需的纳米到宏观控制水平，对现有的制造方法来说一直是一个挑战。

TO合成赛博木，我们结合了几种传统的纳米合成方法。通过在含有碳纳米管的生长介质中培养未分化的植物细胞，我们让生物学驱动最终材料的制造。这些细胞自行组装，形成一种软凝胶，并将碳纳米管部分固定在细胞壁上，从而携带碳纳米管。当我们停止这一过程并让软凝胶干燥时，就形成了一种具有复杂的分层结构的材料，类似于木材。赛博伍德可以它的生产成本非常低，产量很大，可以加工，也可以塑造成任意形状。由于其对温度的敏感，它可以应用于例如，用于热成像摄像机的热传感器，或用于消费产品和安全系统的距离传感器。其优异的结构和力学性能为智能建筑技术提供了广阔的应用前景。

图:cyberwood的扫描电镜(SEM)。图片改编自[1]，版权(2015)美国国家科学院。

未来

创造与自然系统相匹配甚至超越自然系统的新型多功能材料的一种途径可能是“让自然为我们制造”。分子自组装是化学中常用的方法;请参阅“生物和受生物启发的超分子组装的力学在iMec万博manbetx平台hanica上．由简单生物(如病毒)驱动的制造已经在能源和医药等不同领域显示出前景(见例，[5,6])。

制造层次材料的驱动更复杂生物细胞和有机体是一个新概念。它不仅能让我们受到有层次的自然材料的“启发”，还能直接利用大自然自身合成这种复杂结构的能力。植物是一个自然的起点:它们很容易培养，形成复杂的等级系统，并表现出许多对工程目的有用的特性。成千上万种植物提供了各种各样的材料特性。利用这些自然特性为设计、制造和测试新材料提供了丰富的机会。

机制的作用

力学在生物材料的创造中自然扮演着重要的角色，这也反映在iMechanica上早期的几篇博客文章中。万博manbetx平台比如，米歇尔·l·欧因在"力学在仿生学中的作用，由Sinan Keten在“蛋白质结构和材料的力学-丝，淀粉样蛋白和肌肉纤维”，作者:Howon Lee三维生物微血管系统”,通过阿什坎·瓦齐里生物与仿生细胞结构力学“，”在胡宇航(Yuhang Hu)最近的一篇博文中，他是上个月写的。

创造结合活细胞和合成纳米结构的纳米仿生材料是一个新兴的研究领域。它提供了许多机会来创造具有迄今为止只在自然界中存在的特性的材料，或者获得根本不存在的特性。

从科学的角度来看，由于生物系统的复杂性，理解纳米仿生材料力学的基本原理是困难的。细胞是复杂的单位，其中许多变量可以促成特定的反应。将最重要的因素分离出来需要进行大量深思熟虑的实验。

从工程角度来看，该研究领域最大的困难之一是缺乏预测理论模型来指导纳米仿生材料的设计。这在很大程度上取决于科学家的直觉和创造力，这些都是由系统实验培养和引导的。力学的数值和实验工具是启动机械纳米仿生学领域的重要资源。因为活细胞的天然成分主要是柔软的生物聚合物，所以我们可以从柔软材料和凝胶的流变学和力学中学到很多东西(例如，一个很好的资源是“可伸缩的离子)以及软凝胶与刚性纤维和颗粒的结合(例如，参见最近的极限力学快报关于“纤维增强韧水凝胶”[7])的论文。

我们对纳米仿生材料的前景感到兴奋。在我们正在进行的工作中，我们将继续探索赛博木的力学。我们还将细胞驱动的制造方法扩展到不同的植物细胞和生物，将它们与不同的合成纳米结构配对。我们对成品进行实验，在我们的探索中设计出下一种材料和设备，以某种方式造福于整个社会。

确认

我们实验室在赛博木和其他植物纳米仿生材料方面的工作由Raffaele Di Giacomo博士牵头。最近，我们感谢Luca Bonanomi(博士生)、Andre’Fischer(前硕士生)和Vincenzo Costanza(现任硕士生)的工作。我们与意大利萨莱诺大学的Bruno Maresca教授团队合作。

参考文献

1. 迪·贾科莫，R;达拉奥,c;马雷斯卡、B。“植物纳米仿生材料与果胶- ca2 +介导的巨大温度响应”，美国国家科学院院刊，112,15,4541-4545(2015)。
2. Ball, P.“材料见证:观察木材干燥”《自然材料》13,922(2014)。
3. 桑切斯,c;Arribart h;Giraud Guille, m.m.“仿生学和生物灵感作为创新材料和系统设计的工具”，《自然材料》，4,277 - 288(2005)。
4. Giraldo, J.P，等，“植物纳米仿生方法增强光合作用和生化传感”，《自然材料》，13,400-408(2014)。
5. 李,S.-W。;毛,c;弗林,着力点;Belcher, A.M.，“利用基因工程病毒对量子点排序”《科学》，296,5569,892-895 (2002)
6. 南，K.T.等，“病毒激活的合成和组装锂离子电池电极纳米线”科学，312,5775,885-888(2006)。
7. Illeperuma W.R.K.;太阳,J.-Y。;缩,z;Vlassak, J.J.“纤维增强韧水凝胶”，《极限力学快报》，1,90 -96(2014)。